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1、华东理工大学硕士研究生学位课程华东理工大学硕士研究生学位课程过程分子生物学过程分子生物学张张 惠惠 展展分子生物学是生命科学的主导性学科分子生物学是生命科学的主导性学科基因的表达与调控是分子生物学的主题思想基因的表达与调控是分子生物学的主题思想过程分子生物学是分子生物学理论发展的高级阶段过程分子生物学是分子生物学理论发展的高级阶段1953-19831953-1983 基础分子生物学阶段基础分子生物学阶段2020世纪世纪5050年代年代 DNADNA双螺旋模型的建立双螺旋模型的建立2020世纪世纪6060年代年代 遗传密码的破译遗传密码的破译2020世纪世纪7070年代年代 DNADNA重组技术
2、的诞生重组技术的诞生1983-1983-？过程分子生物学阶段过程分子生物学阶段2020世纪世纪8080年代年代 动植物转基因技术的问世动植物转基因技术的问世2020世纪世纪9090年代年代 人类基因组计划的实施人类基因组计划的实施2 21 1世纪世纪0000年代年代 RNARNA干扰现象的发现干扰现象的发现过程分子生物学5 2 3 4 1 6 基因表达的调控机制基因表达的调控机制细胞通讯的分子机制细胞通讯的分子机制免疫多样性的分子识别免疫多样性的分子识别胚胎发育的基因表达谱胚胎发育的基因表达谱肿瘤发生的分子机制肿瘤发生的分子机制基因组学与系统生物学基因组学与系统生物学基因表达的调控机制B C
3、D A E F 原核生物基因表达的启动开关原核生物基因表达的启动开关真核生物多转录因子的协同作用真核生物多转录因子的协同作用原核生物的原核生物的RNARNA结构调控结构调控真核生物的真核生物的RNARNA剪切调控剪切调控原核生物反义原核生物反义RNARNA的调控的调控真核生物真核生物sRNAsRNA介导的介导的RNARNA干扰干扰G 真核生物应答元件的转录调控真核生物应答元件的转录调控1 1A A 原核生物基因表达的启动开关原核生物基因表达的启动开关 通过对通过对100100多个大肠杆菌启动子的序列分析，结果表明：大多数多个大肠杆菌启动子的序列分析，结果表明：大多数具有普通生理生化功能的基因所
4、属的启动子，具有统一的特征序列。具有普通生理生化功能的基因所属的启动子，具有统一的特征序列。a 大肠杆菌启动子的多样性TTGACATTGACAAACTGTAACTGTTATAATTATAATATATTAATATTA16-10 16-10 bpbp5-9 5-9 bpbp结构基因结构基因转录起始位点转录起始位点-35-35区区 T T8282T T8484GG7878AA6565CC5454AA4545-10-10区区 T T8080AA9595T T4545AA6060AA5050T T9696启动子启动子一个典型的大肠杆菌启动子通常包括下列四个结构要素：一个典型的大肠杆菌启动子通常包括下列四
5、个结构要素：1 1A A 原核生物基因表达的启动开关原核生物基因表达的启动开关 绝大多数原核生物的绝大多数原核生物的RNARNA聚合酶均由五个亚基组成：聚合酶均由五个亚基组成：a a a a2 22 2b bb bb bb b s s s s（全全酶酶），其中），其中a a a a2 22 2b bb bb bb b 称为（称为（核心酶核心酶）。各种原核细菌的）。各种原核细菌的a a a a、b b b b、b b b b 亚基呈高亚基呈高度的同源性，唯独度的同源性，唯独s s s s因子因子差别较大。差别较大。RNARNA聚合酶核心酶对聚合酶核心酶对DNADNA链具有链具有非特异性的亲和力（
6、碱性蛋白与酸性非特异性的亲和力（碱性蛋白与酸性DNADNA之间的静电引力），但之间的静电引力），但s s s s因因子增强了子增强了RNARNA聚合酶与启动子区域的聚合酶与启动子区域的特异性特异性结合。结合。s s s s因子帮助因子帮助RNARNAa 大肠杆菌启动子的多样性聚合酶识别启动子，同时启动转录。聚合酶识别启动子，同时启动转录。大肠杆菌启动子与大肠杆菌启动子与s s s s因子的对应关系因子的对应关系 （Lewins Lewins GENESGENES X 2010 X 2010）氨基酸氨基酸-35-35区序列区序列识别数识别数间隔间隔区区-10-10区序列区序列因子因子/基因基因T
7、TGACATTGACATATAATTATAAT1000100016-18 bp16-18 bp613613ss 70 70（rpoDrpoD）CTGGNACTGGNATTGCATTGCA556 bp6 bp477477ss 54 54（rpoNrpoN）CCCTTGAACCCTTGAACCCGATNTCCCGATNT303013-15 bp13-15 bp284284ss 32 32（rpoHrpoH）TTGACATTGACATATAATTATAAT10010016-18 bp16-18 bp330330ss S S（rpoSrpoS）CTAAACTAAAGCCGATAAGCCGATAA404
8、015 bp15 bp239239ss F F（rpoFrpoF）GAAGAAYCTGAYCTGA202016 bp16 bp202202ss E E（rpoErpoE）22173173ss FecI FecI（fecIfecI）TGNCTGTGNCTGCGTCTTCGTCTT15 bp15 bp1 1A A 原核生物基因表达的启动开关原核生物基因表达的启动开关 枯草杆菌中存在着大约二十类不同的启动子，其枯草杆菌中存在着大约二十类不同的启动子，其中有些隶属于正常的生理代谢基因，有些则隶属于噬中有些隶属于正常的生理代谢基因，有些则隶属于噬菌体感染、孢子生成、次级代谢过程中的相关基因。菌体感染、孢
9、子生成、次级代谢过程中的相关基因。b 枯草杆菌启动子的多样性在在SPO1SPO1噬菌体感染过程中的噬菌体感染过程中的RNARNA聚合酶及其聚合酶及其s s因子因子 SPO1 SPO1噬菌体感染枯草杆菌后，噬菌体感染枯草杆菌后，早期基因早期基因表达；表达；4-54-5分钟后，分钟后，中期中期基因表达基因表达，早期基因关闭；，早期基因关闭；8-128-12分钟后，分钟后，晚期基因晚期基因表达，中期基因关表达，中期基因关闭。早期基因的启动子由闭。早期基因的启动子由s s s s4343（即（即s s s sAA）识别启动，这是枯草杆菌细胞识别启动，这是枯草杆菌细胞内具有广泛生理生化功能的内具有广泛生
10、理生化功能的s s s s因子，与大肠杆菌中的因子，与大肠杆菌中的s s s s7070同源，组成同源，组成a a a a22b bb bb bb b s s s s4343型型RNARNA聚合酶聚合酶，转录中期基因表达所需的转录中期基因表达所需的s s s s因子编码基因因子编码基因gpgp2828。中期基因的启动子由中期基因的启动子由s s s sgp28gp28识别启动，它与枯草杆菌的核心酶构识别启动，它与枯草杆菌的核心酶构成成a a a a22b bb bb bb b s s s sgp28gp28型型RNARNA聚合酶全酶聚合酶全酶，负责转录晚期基因表达所需的负责转录晚期基因表达所需
11、的s s s s因子因子编码基因编码基因gpgp3333和和gpgp3434。晚期基因的启动子由晚期基因的启动子由s s s sgp33gp33和和s s s sgp34gp34识别启动，识别启动，分别构成分别构成RNARNA聚合酶全酶聚合酶全酶a a a a22bbbbbbbb s s s sgp33gp33和和a a a a22bbbbbbbb s s s sgp34gp34。SPO1SPO1噬菌体基因表噬菌体基因表达的级联调控模式达的级联调控模式通过更换不同的通过更换不同的s s s s因子，因子，识别并作用于不同基因识别并作用于不同基因的启动子，最终导致这的启动子，最终导致这些基因有次
12、序地级联表些基因有次序地级联表达。前一基因编码后一达。前一基因编码后一基因表达所需的基因表达所需的s s s s因子。因子。s s4343s s2828s s2828s s33/34 33/34 早期基因早期基因中期基因中期基因晚期基因晚期基因（Lewins Lewins GENESGENES X 2010 X 2010）枯草杆菌的孢子生成过程枯草杆菌的孢子生成过程 枯草杆菌在对数生长阶枯草杆菌在对数生长阶段结束后，培养基中营养物段结束后，培养基中营养物质耗尽，这时便启动孢子生质耗尽，这时便启动孢子生成过程：先是成过程：先是DNADNA复制，隔复制，隔膜形成，孢衣合成，母体裂膜形成，孢衣合成，
13、母体裂解，孢子释放。最后在细胞解，孢子释放。最后在细胞内约内约40%40%的的mRNAmRNA是孢子生是孢子生专一性的。专一性的。对数生长期细菌对数生长期细菌基因组复制基因组复制隔膜形成隔膜形成DNADNA转位至前孢转位至前孢孢衣形成孢衣形成母细胞裂解，孢子释放母细胞裂解，孢子释放（Lewins Lewins GENESGENES X 2010 X 2010）枯草杆菌孢子形成过程中的枯草杆菌孢子形成过程中的RNARNA聚合酶及其聚合酶及其s s因子因子 当环境压力（例如营养成份枯竭）时，枯草杆菌细胞内发生一连当环境压力（例如营养成份枯竭）时，枯草杆菌细胞内发生一连串的磷酸基团传递反应，最终导致
14、转录调控因子串的磷酸基团传递反应，最终导致转录调控因子Spo0ASpo0A的的磷酸化。磷磷酸化。磷酸化了的酸化了的Spo0ASpo0A同时启动两种不同操纵子的转录，分别表达出同时启动两种不同操纵子的转录，分别表达出s s s sproEproE和和s s s sFF。s s s sFF一方面启动一方面启动s s s sGG的表达，另一方面又表达的表达，另一方面又表达SpoIIRSpoIIR，后者再激活隔后者再激活隔膜结合型蛋白膜结合型蛋白SpoIIGASpoIIGA，活化了的活化了的SpoIIGASpoIIGA将母体细胞中表达的将母体细胞中表达的s s s sproEproE裂解为有活性的裂解
15、为有活性的s s s sEE；而在前孢区域内产生的而在前孢区域内产生的s s s sEE均被前孢特有的蛋白酶均被前孢特有的蛋白酶摧毁殆尽。母体细胞中摧毁殆尽。母体细胞中s s s sEE的活性是激活前孢区域的活性是激活前孢区域s s s sGG所必需的（通过所必需的（通过SpoIIASpoIIA和一种未知蛋白因子）；而和一种未知蛋白因子）；而s s s sGG的活性又能产生一种信号，跨隔的活性又能产生一种信号，跨隔膜激活母体细胞中的膜激活母体细胞中的s s s sKK。即：即：s s s sFF s s s sEE s s s sGG s s s sKK 。枯草杆菌孢子枯草杆菌孢子子交叉激活子
16、交叉激活形成过程中两形成过程中两条途径的条途径的 s s因因s s s sFFs s s sEEs s s sGGs s s sKK激活激活表达表达前孢区前孢区母细胞母细胞Spo0ASpo0ASpo0ASpo0As s4343s s4343s sFFs sproEproEs sEEs sGGs sproKproK隔膜隔膜SpoIIRSpoIIRSpoIIGASpoIIGASpoIIASpoIIAs sKK5 h5 h5 h5 h打开打开262262个基因个基因打开打开7575个基因个基因打开打开4848个基因个基因打开打开8181个基因个基因SpoIVBSpoIVB枯草杆菌各类枯草杆菌各类s
17、s因子识别启动子的序列偏好性因子识别启动子的序列偏好性 Science Science 335 335 20122012 19 bp19 bpssAAssBB18 bp18 bpssDD15 bp15 bp15 bp15 bpssHHssLL13 bp13 bpssWWssFF17 bp17 bp17 bp17 bpssGGssEE14 bp14 bp13 bp13 bpssKK1 1A A 原核生物基因表达的启动开关原核生物基因表达的启动开关 链霉菌启动子的结构具有很大的离散性，通过对链霉菌启动子的结构具有很大的离散性，通过对100100多个启动子多个启动子序列的比较，可将链霉菌启动子分成三
18、大类：序列的比较，可将链霉菌启动子分成三大类：c 链霉菌启动子的多样性 具有典型原核生物启动子具有典型原核生物启动子-10-10区区和和-35-35区区特征的启动子，仅占特征的启动子，仅占21%21%具有典型原核生物启动子具有典型原核生物启动子-10-10区区而无保守的而无保守的-35-35区区的启动子的启动子 既无典型原核生物启动子既无典型原核生物启动子-10-10区区又无保守的又无保守的-35-35区区的启动子的启动子1 1A A 原核生物基因表达的启动开关原核生物基因表达的启动开关 天蓝色链霉菌（天蓝色链霉菌（Streptomyces Streptomyces coelicolorcoe
19、licolor）的全基因组中存在多达）的全基因组中存在多达6565种不同的种不同的s ss s因因c 链霉菌启动子的多样性s ss s6666（hrdBhrdB）链霉菌最重要的链霉菌最重要的s ss s因子，因子，hrdhrdBB-突变是致死性的。突变是致死性的。hrdhrdBB基因全程基因全程表达，称为表达，称为看家基因看家基因。s ss sWhiGWhiG（whiGwhiG）链霉菌次级代谢基因转录所需的链霉菌次级代谢基因转录所需的s ss s因子。因子。s ss sFF链霉菌孢子生成基因转录所需的链霉菌孢子生成基因转录所需的s ss s因子。因子。s ss sBldNBldN（bldNbl
20、dN）链霉菌气生菌丝发育基因转录所需的链霉菌气生菌丝发育基因转录所需的s ss s因子。因子。s ss sRR（sigRsigR）链霉菌响应氧化压力基因转录所需的链霉菌响应氧化压力基因转录所需的s ss s因子。因子。s ss sEE（sigEsigE）链霉菌感应细胞膜完整性功能所需的链霉菌感应细胞膜完整性功能所需的s ss s因子。因子。子，其中已被鉴定的有：子，其中已被鉴定的有：1 1B B 真核生物多转录因子的协同作用真核生物多转录因子的协同作用 真核生物尤其是高等真核生物（哺乳动物）由于真核生物尤其是高等真核生物（哺乳动物）由于其其细胞的高度分化，决定了基因转录调控机制的复杂性。细胞的
21、高度分化，决定了基因转录调控机制的复杂性。与原核生物不同，与原核生物不同，哺乳动物细胞内共有三大类哺乳动物细胞内共有三大类RNARNA聚合聚合酶酶系统，它们均由多系统，它们均由多转录因子转录因子构成，识别三大类真核生构成，识别三大类真核生物的启动子，分别承担物的启动子，分别承担rRNArRNA、mRNAmRNA、tRNAtRNA的转录。的转录。所有三种所有三种RNARNA聚合酶均由聚合酶均由8-148-14个亚基组成，个亚基组成，500500kDkD，但但它们并不能单独启动基因的转录。它们并不能单独启动基因的转录。1 1B B 真核生物多转录因子的协同作用真核生物多转录因子的协同作用启动子由两
22、部分元件构成。启动子由两部分元件构成。a RNA聚合酶 I 启动转录的程序 RNARNA聚合酶聚合酶 I I 定位于定位于核仁核仁，负责转录，负责转录rRNArRNA编码基编码基因。因。RNARNA聚合酶聚合酶 I I 只作用于一种类型的启动子，这类只作用于一种类型的启动子，这类高等真核生物高等真核生物 I I 型启动子的结构型启动子的结构结构基因结构基因I I 型启动子型启动子转录起始位点转录起始位点上游启动子元件（上游启动子元件（UPEUPE）核心启动子核心启动子GCGC丰富区丰富区GCGC丰富区丰富区增强启动效果增强启动效果启动基因转录启动基因转录CCT TCCGCCGA AGTCGGT
23、CGNNNNNNNNTNNNNNNTGGGCCGCCGGGGGCCGCCGG 人类的这两个重复序列具有人类的这两个重复序列具有85%85%的同原性的同原性I I 型启动子介导型启动子介导rRNArRNA基因转录的启动过程基因转录的启动过程RNARNA聚合酶聚合酶 I I 在在 I I 型启动子型启动子处的定位需要两种转录因子处的定位需要两种转录因子并经历三个阶段：并经历三个阶段：UBF1UBF1（UPEUPE结合因子）结合因子）装配因子装配因子SL1SL1（四聚体核心结合因子）四聚体核心结合因子）定位因子定位因子其中之一为其中之一为 TBPTBPUBF1SL1起始位点起始位点核心启动子核心启动
24、子上游启动子元件（上游启动子元件（UPEUPE）Pol IUBF1UBF1结合在启动子的结合在启动子的UPEUPE处处SL1SL1结合在结合在核心启动子核心启动子处处Pol IPol I 加入加入TBP1 1B B 真核生物多转录因子的协同作用真核生物多转录因子的协同作用 RNARNA聚合酶聚合酶 II II 定位于核内定位于核内，负责转录，负责转录mRNAmRNA的前体的前体分子分子hnRNAhnRNA。RNARNA聚合酶聚合酶 II II 及其作用的及其作用的 II II 型启动子是型启动子是真核生物细胞中最广泛最典型最重要的转录启动元件。真核生物细胞中最广泛最典型最重要的转录启动元件。b
25、 RNA聚合酶 II 启动转录的程序高等真核生物高等真核生物 II II 型启动子的结构型启动子的结构结构基因结构基因II II 型启动子型启动子转录起始位点转录起始位点启动子附加区启动子附加区TATA BOXTATA BOX转录的启动效率转录的启动效率转录因子和转录因子和RNA pol II RNA pol II 识别位点识别位点转录的时空特异性转录的时空特异性启动基因转录启动基因转录转录起始子转录起始子 InrInr核心启动子核心启动子高等真核生物高等真核生物 II II 型启动子的结构型启动子的结构结构基因结构基因II II 型启动子型启动子转录起始位点转录起始位点启动子附加区启动子附加
26、区TATA BOXTATA BOXInrInrOCT BOXOCT BOXATTTGCATATTTGCAT单向性单向性Oct Oct 因子激活因子激活GC BOXGC BOXGGGCGGGGGCGG双向性双向性SP1 SP1 因子激活因子激活CAAT BOXCAAT BOXGGCCAATCTGGCCAATCT双向性双向性CTF/NF1 CTF/NF1 因子激活因子激活上述附加区元件并不一定同时存在，而且在间隔、排列顺序、拷贝上述附加区元件并不一定同时存在，而且在间隔、排列顺序、拷贝数上均有很大的可变性。数上均有很大的可变性。高等真核生物高等真核生物 II II 型启动子的结构型启动子的结构结构
27、基因结构基因II II 型启动子型启动子转录起始位点转录起始位点启动子附加区启动子附加区TATA BOXTATA BOXInrInr TATA BOX TATA BOX 位于位于-25-25区，普遍存在于所有的真核生物细胞中，由区，普遍存在于所有的真核生物细胞中，由八对碱基组成，两侧为八对碱基组成，两侧为GCGC碱基对。少数不含碱基对。少数不含TATA BOXTATA BOX 特征结构的特征结构的启动子成为启动子成为 TATA-less TATA-less 启动子。启动子。RNARNA聚合酶聚合酶 II II 与转录因子复合物与转录因子复合物装配因子装配因子TF II A B E F H JT
28、F II A B E F H J RNA RNA聚合酶聚合酶 II II 本身由本身由10-1210-12个亚基组成个亚基组成 ，这些亚基具有类似这些亚基具有类似于于原核细菌原核细菌RNARNA聚合酶中聚合酶中a a a a、b b b b、b b b b 亚基的功能，但同样不能识亚基的功能，但同样不能识别启别启动子。对动子。对启动子的专一性识别由若干的启动子的专一性识别由若干的一般转录因子一般转录因子负责。这负责。这些一些一般转录因子分为两大类：般转录因子分为两大类：装配因子装配因子和和定位因子定位因子。定位因子定位因子聚合酶聚合酶 II IITBP TAFTBP TAFa a a a22b
29、bbbbbbb s s s s 因子因子真核生物：真核生物：原核生物：原核生物：II II 型启动子介导的基因型启动子介导的基因转录启动过程转录启动过程各种一般转录因子和各种一般转录因子和RNARNA聚合酶聚合酶 II II 严格按照既定的顺序严格按照既定的顺序依 次依 次结合在结合在DNADNA及其蛋白复合物上，每种一般及其蛋白复合物上，每种一般转录因子的加入均使转录因子的加入均使DNA-DNA-蛋白质复蛋白质复合物的空间构象发生一次改变，而合物的空间构象发生一次改变，而这种构象变化又是下一轮的转录因这种构象变化又是下一轮的转录因TATAStartpointTFII DTAFsTBPTFII
30、 ATFII BTFII FPol IITFII JTFII HTFII E子加入所必需的。子加入所必需的。启动子校对转录启动流产转录加固II II 型启动子介导的基因转录启动过程型启动子介导的基因转录启动过程TFTFIIIIHH是唯一一种具有是唯一一种具有多重独立酶活性的一般多重独立酶活性的一般转录因子，其酶活性包转录因子，其酶活性包括括ATPATP酶、双向解旋酶酶、双向解旋酶以及使以及使RNARNA聚合酶聚合酶IIII尾尾部部CTDCTD结构域磷酸化的结构域磷酸化的磷酸激酶磷酸激酶。RNARNA聚 合聚 合酶酶IIII一旦被磷酸化，所一旦被磷酸化，所有的一般转录因子便从有的一般转录因子便从
31、转录起始复合物上剥落转录起始复合物上剥落下来，转录由起始阶下来，转录由起始阶TFII JTFII HPPPP段转换到延伸阶段。段转换到延伸阶段。TFII F/Pol IIRNARNA聚合酶聚合酶 II II 在近启动子处暂停介导的转录延伸调控机制在近启动子处暂停介导的转录延伸调控机制 以以RNARNA聚合酶聚合酶 II II 为核心的转为核心的转录因子复合物在录因子复合物在 II II 型启动子处装型启动子处装配完毕后，转录启动。但随后的配完毕后，转录启动。但随后的转录进程并非像人们想象的那么转录进程并非像人们想象的那么一帆风顺。事实上在很多果蝇和一帆风顺。事实上在很多果蝇和哺乳动物的基因中，
32、刚刚启动转哺乳动物的基因中，刚刚启动转录的录的RNARNA聚合酶聚合酶 II II 会在转录起始会在转录起始位点下游位点下游25-5025-50个碱基处个碱基处停顿停顿下下来。一些蛋白因子促进来。一些蛋白因子促进RNARNA聚合酶聚合酶 II II 快速进入停顿位点，而快速进入停顿位点，而NELFNELF（负（负延伸因子）和延伸因子）和DSIFDSIF因子因子则起到稳定处于停顿状态的聚合酶则起到稳定处于停顿状态的聚合酶 II II 的作用。的作用。快速进入停顿位点快速进入停顿位点慢速逃离停顿位点慢速逃离停顿位点RNARNA聚合酶聚合酶 II II 在近启动子处暂停介导的转录延伸调控机制在近启动
33、子处暂停介导的转录延伸调控机制RNARNA聚合酶聚合酶 II II 从停顿位点逃离的先决从停顿位点逃离的先决条件是一些能促进其逃离的蛋白因子的条件是一些能促进其逃离的蛋白因子的出现。这些因子将出现。这些因子将正转录延伸因子正转录延伸因子bb（P-TEFbP-TEFb）招募至）招募至RNARNA聚合酶聚合酶 II II 处，处，并使并使NELFNELF磷酸化。被磷酸化的磷酸化。被磷酸化的NELFNELF从从RNARNA聚合酶聚合酶IIII上解离，后者得以逃离，上解离，后者得以逃离，新近的果蝇全基因扫描研究表明，新近的果蝇全基因扫描研究表明，三分三分之一以上的基因在转录起始后能产生短之一以上的基因
34、在转录起始后能产生短小的小的RNARNA序列，表明这种启动子邻近区序列，表明这种启动子邻近区的的RNARNA聚合酶聚合酶IIII停顿是控制转录输出的停顿是控制转录输出的普遍战略。（普遍战略。（Science Science 327327，20102010）转录加速；反之转录将缓慢进行。转录加速；反之转录将缓慢进行。1 1B B 真核生物多转录因子的协同作用真核生物多转录因子的协同作用 RNARNA聚合酶聚合酶 IIIIII 定位于核内定位于核内，负责转录，负责转录tRNAtRNA和和小分子小分子 核内核内RNARNA（snRNAsnRNA）。）。相应的相应的 III III 型启动子有两种类型
35、：型启动子有两种类型：tRNA tRNA编码基因所属的启动子称为编码基因所属的启动子称为内源型启动子内源型启动子；snRNA snRNA编码基因所属的启动子称为编码基因所属的启动子称为外源型启动子外源型启动子；c RNA聚合酶 III 转录启动的程序高等真核生物高等真核生物 III III 型启动子的结构型启动子的结构结构基因结构基因IIIIII 型内源型启动子型内源型启动子转录起始位点转录起始位点BOX ABOX ABOX CBOX CBOX ABOX ABOX BBOX BPSEPSEOCTOCTPol III Pol III 结合区结合区结合区结合区IIIIII 型外源型启动子型外源型启
36、动子转录起始位点转录起始位点结构基因结构基因III III 型启动子介导的型启动子介导的tRNA/snRNAtRNA/snRNA基因基因转录启动过程TFIIIB由TBP和另外两种蛋白因子组成，其功能相当于定位因子；TFIIIA和TFIIIC属于装配因子。boxAboxAboxCboxCboxAboxAboxBboxB（11型）型）转录起始位点转录起始位点TFIIIATFIIIATFIIICTFIIICTFIIIATFIIIATFIIICTFIIICTFIIICTFIIICTFIIIATFIIIATFIIICTFIIICTFIIICTFIIICTFIIIBTFIIIBTFIIIBTFIIIBRN
37、A Pol IIIRNA Pol IIIRNA Pol IIIRNA Pol IIITFIIIBTFIIIBTFIIIBTFIIIB（22型）型）转录起始位点转录起始位点1 1B B 真核生物多转录因子的协同作用真核生物多转录因子的协同作用 由此可见，由此可见，TBPTBP是所有三种类型的是所有三种类型的RNARNA聚合酶转录聚合酶转录系统所必需的。在含有系统所必需的。在含有TATA BOXTATA BOX的启动子中，的启动子中，TBPTBP特特异性地结合在异性地结合在DNADNA的相应区域；在的相应区域；在TATA lessTATA less 型型启动子启动子中，中，TBPTBP与其它蛋白因
38、子协同作用，结合在与其它蛋白因子协同作用，结合在DNADNA的特定的特定区域内。区域内。1 1C C 原核生物的原核生物的RNARNA结构调控结构调控 RNA RNA的结构调控是一种转录启动后的基因表达调控方的结构调控是一种转录启动后的基因表达调控方式，其主要形式表现为转录的式，其主要形式表现为转录的终止终止与与抗终止抗终止作用。作用。a RNA转录的终止作用 原核细菌拥有两种机制终止原核细菌拥有两种机制终止RNARNA聚合酶的转录，它们聚合酶的转录，它们分别称为分别称为顺式终止顺式终止和和反式终止反式终止。介导转录顺式终止的内源性终止子介导转录顺式终止的内源性终止子 内源性终止子结构的组内源
39、性终止子结构的组成为富含成为富含GCGC碱基的发夹结构碱基的发夹结构以及下游的寡聚以及下游的寡聚U U链链（通常通常是是6 6个个U U）。它们由）。它们由DNADNA上的上的终止子序列终止子序列编码，出现在转编码，出现在转55 A U C G CA U C G CA UA UA UA UU AU AC GC GC GC GC GC GG CG CA UA UA UA UA UA UC GC GA GA GG CG CU AU AU AU AC UC UC GC GG CG CG CG CGGAAGGUUAAG UG URNARNA聚合酶聚合酶U U U U U UU U U U U U 33
40、 录中的录中的RNARNA结构中。结构中。真核生物的转录终止机真核生物的转录终止机制也与顺式终止相似。制也与顺式终止相似。AAGGUUA A UU介导转录反式终止的介导转录反式终止的RhoRho因子依赖性终止子因子依赖性终止子 基因转录的反式终止多见于噬菌体中。终止位点为基因转录的反式终止多见于噬菌体中。终止位点为CUUCUU中的某个中的某个碱基，其上游碱基，其上游 50-90 50-90 bp bp 的的序列中无茎环发夹结构，但碱基组成特殊：序列中无茎环发夹结构，但碱基组成特殊：C C 41%41%，G 14%G 14%，A 25%A 25%，U 20%U 20%。在这种。在这种RhoRho
41、（r r）因子专一性识别因子专一性识别的终止子结构内，若缺失若干个的终止子结构内，若缺失若干个C C，甚至一个甚至一个C C，便会导致不能终止的便会导致不能终止的RNARNA聚合酶聚合酶RhoRho因子识别结合区因子识别结合区55 AUAUCCGGCCUAUACCCCUUCCAUAUAUAUCCCCGGCCAACCCCUUCCCCUUCCAAAAAACCGGCCUAUACCCCUUCCGAGACCCCAGAAAGGAGAAAGGCCGUGUCCUUCUUCUU 33 现象发生。现象发生。反式终止的机制反式终止的机制 RhoRho因子呈六聚体，具有因子呈六聚体，具有ATPaseATPase活性。
42、活性。当当RNARNA聚合酶转录出富含聚合酶转录出富含CC的的RhoRho因子识别位点时，因子识别位点时，RhoRho因子便与转因子便与转录出的录出的RNARNA链链结合；结合；Rho Rho因子沿因子沿RNARNA链向链向RNARNA聚合酶聚合酶方向移动，由于其移动速度快于方向移动，由于其移动速度快于RNARNA聚合酶，因此当聚合酶，因此当RNARNA聚合酶转录出终聚合酶转录出终止位点止位点CUUCUU时，时，RhoRho因子正好赶上；因子正好赶上；Rho Rho因子水解因子水解ATPATP释放能量，拆释放能量，拆开开DNA-RNADNA-RNA杂合链，转录遂终止。但杂合链，转录遂终止。但若
43、在若在RhoRho因子与因子与RNARNA聚合酶之间存在聚合酶之间存在着核糖体，则着核糖体，则RhoRho因子不能终止转录因子不能终止转录CUUCUURhoRho因子因子1 1C C 原核生物的原核生物的RNARNA结构调控结构调控b RNA转录的抗终止作用 在某些特殊条件下，由在某些特殊条件下，由RNARNA聚合酶引导的转录并不能聚合酶引导的转录并不能在终止子处顺利终止，这种现象称为在终止子处顺利终止，这种现象称为“转录过头转录过头”，其发，其发生生 RNA RNA的结构调控是一种转录启动后的基因表达调控方的结构调控是一种转录启动后的基因表达调控方式，其主要形式表现为转录的式，其主要形式表现
44、为转录的终止终止与与抗终止抗终止作用。作用。机制是细胞内的转录机制是细胞内的转录抗终止抗终止作用。作用。细菌衰减子依赖性的转录抗终止作用细菌衰减子依赖性的转录抗终止作用UUGGGGUUGGGGCCGGCCAACCUUUUCCCCUUGGAAAACCCC55 AACCUUAAUUGGUUGGAACCGGGGGGUUCCAAAAUUGGCCGGUUAAAAAAGGCCAAAAUUCCAAGGAAUUAACCCCCCAAGGCCCCCCGGCCCCUUCCGGGGGGCCGGGGAAUUUUAAAAUUUUUUUUUUUUUU 33 UUGGGGUUGGGGCCGGCCAACCUUUUCCCC55
45、UUGGAAAAAACCAAUUGGUUGGAACCGGGGUUGGGGAAUUAACCCCCCAAGGCCCCCCGGCCCCUUUUAACCGGAAAAAAGGCCAAAAUUCCAAUUCCCCAAGGCCUUAAAAUUGGAAGGUUCCGGGGGGUUUUUUUUUUUUUUCC 33 另一个则位于正另一个则位于正常的基因编码区常的基因编码区下游。细胞内条下游。细胞内条件的变化，可使件的变化，可使基因的转录在两基因的转录在两个顺式终止子结个顺式终止子结构的某一个处终构的某一个处终止。这种结构称止。这种结构称某些细菌的结某些细菌的结构基因含有构基因含有两两个顺式终止子个顺式终止子，其
46、中其中一个一个位于位于基因上游的编基因上游的编码 区 内，码 区 内，为为衰减子衰减子。相互转换相互转换细菌衰减子的转录抗终止机制细菌衰减子的转录抗终止机制大肠杆菌的色氨酸操纵子中含有大肠杆菌的色氨酸操纵子中含有一个一个衰减子衰减子结构结构。在基因的。在基因的55端端编码区有两个连续排列的编码区有两个连续排列的色氨酸色氨酸密密码子码子。当细胞内。当细胞内色氨酸匮乏时色氨酸匮乏时核糖体在核糖体在色氨酸密码子处暂停翻色氨酸密码子处暂停翻译，衰减子的译，衰减子的2 2链链和和3 3链链形成双链形成双链结构，第一个终止子结构不能形结构，第一个终止子结构不能形成，转录继续进行；成，转录继续进行；当细胞内
47、当细胞内色色氨酸充足时，翻译不在氨酸充足时，翻译不在色氨酸密色氨酸密码子处停止，结果产生终止子结码子处停止，结果产生终止子结构，转录遂终止。构，转录遂终止。噬菌体抗终止因子依赖性的转录抗终止作用噬菌体抗终止因子依赖性的转录抗终止作用 大肠杆菌大肠杆菌 l l 噬菌体噬菌体早早期基因和早期基因的表达产物往往是晚期早早期基因和早期基因的表达产物往往是晚期基因表达的调控因子基因表达的调控因子。早早期基因表达产物的调控机制有两种：早早期基因表达产物的调控机制有两种：一是作为一是作为 s s 因子因子识别早期基因和晚期基因启动子，启动表达这两识别早期基因和晚期基因启动子，启动表达这两组基因；二是作为转录
48、组基因；二是作为转录抗终止因子抗终止因子，使宿主细胞的，使宿主细胞的RNARNA聚合酶转聚合酶转录过头，导致早期基因和晚期基因的表达。这两种方式均为正调录过头，导致早期基因和晚期基因的表达。这两种方式均为正调控作用。控作用。噬菌体抗终止因子的作用噬菌体抗终止因子的作用 大肠杆菌大肠杆菌l l噬菌体感染大噬菌体感染大肠杆菌后，在肠杆菌后，在P PLL启动子的介启动子的介导导下表达出抗终止因子下表达出抗终止因子N N蛋蛋白，它以一种独特的方式使白，它以一种独特的方式使阻止阻止RhoRho因子的转录终止作因子的转录终止作用，使早早期基因转录过头用，使早早期基因转录过头并转录出早期基因的并转录出早期基
49、因的mRNAmRNA N N蛋白的半衰期只有五蛋白的半衰期只有五分钟，它决定了早期基因表分钟，它决定了早期基因表达周期的长短。达周期的长短。ttL1L1ttR1R1PPLLPPRRNNcrocro左向转录单位左向转录单位右向转录单位右向转录单位抗终止因子抗终止因子 NNttL1L1ttR1R1抗终止因子的工作原理抗终止因子的工作原理 大肠杆菌大肠杆菌 l l 噬菌体的抗噬菌体的抗终止因子终止因子N N特异性识别早早特异性识别早早期基期基因内部的因内部的nutnut位点，并且位点，并且在在RNARNA聚合酶到达这里时与聚合酶到达这里时与之结合，形成复合物。这种之结合，形成复合物。这种复合物能有效
50、抑制复合物能有效抑制RhoRho因子因子的结合作用，从而干扰的结合作用，从而干扰RhoRho因因子介导的转录终止效应，子介导的转录终止效应，导导致早早期基因的转录过头致早早期基因的转录过头 Q Q因子以类似的机制使因子以类似的机制使得早期基因转录过头。得早期基因转录过头。启动子启动子终止子终止子RNARNA聚合酶聚合酶nut nut 位点位点r r 因子因子NusB NusB/NusENusENusA NusA NusGNusGNNCGCTCTTANNNNNNNNNAGCCCTGAAPuAAGGGCACGCTCTTANNNNNNNNNAGCCCTGAAPuAAGGGCAGCGAGAATNNNN